CN108336979A - 一种集成式射频信号滤波和放大器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成式射频信号滤波和放大器件，包括：压电衬底及依次排列于压电衬底上的输入换能器、半导体薄膜和输出换能器；输入换能器用于接收射频信号，并将射频信号转化为声表面波；半导体薄膜用于在施加电压的情况对声表面波进行放大处理；输出换能器用于将放大后的声表面波转化为射频信号。半导体薄膜设置于输入换能器和输出换能器之间，且半导体薄膜、输入换能器和输出换能器均置于压电衬底上，输入换能器将位于特定波段的射频信号转化为声表面波，声表面波与施加有电场的半导体薄膜作用实现放大，放大后的声表面波经过输出换能器转化为射频信号，进而实现对射频信号的滤波和放大，该滤波和放大器件具有集成度高的优点。
Description
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种集成式射频信号滤波和放大器件。
背景技术
射频器件是无线通讯设备的基础性零部件，在发射接收信号的过程中扮演着将二进制信号与高频率的无线电磁波信号互换的重要角色。因此，射频器件模块是系统必备的基础性零部件。
射频前端模块由功率放大器(PA)、滤波器、双工器、射频开关、低噪声放大器、接收机/发射机等组成。其中功率放大器负责发射通道的射频信号放大；滤波器负责发射及接收信号的滤波；双工器负责FDD系统的双工切换及接收/发送通道的射频信号滤波；射频开关负责接收、发射通道之间的切换；低噪声放大器主要用于接收通道中的小信号放大；接收机/发射机用于射频信号的变频、信道选择。
滤波器是射频前端模块增长最快的细分方向。在2012年全球3G标准协会3GPP提出的LTE R11版本中，蜂窝通讯系统需要支持的频段增加到41个。根据射频器件巨头skyworks预测，到2020年，5G应用支持的频段数量将实现翻番，新增50个以上通信频段，全球2G/3G/4G/5G网络合计支持的频段将达到91个以上。
理论上，单个频段的射频信号处理需要2个滤波器。由于多个滤波器会集成在滤波器组中，手机配置的滤波器器件与频段数量之间的关系并非简单线性比例关系。但频段增多之后，滤波器设计的难度及滤波器数量大幅增加是确定的趋势，相应的价值量和销售数量都会数倍于目前的滤波器。因此，射频前端器件的集成化是一个重要问题。
目前市场上已经有通过封装技术将功率放大器和滤波器封装在一个模块里，以减小体积，这是两个器件的封装模块化。加州理工学院的研究组提出分别在GaN衬底上利用异质结实现放大器和滤波器的两种功能，在一个衬底上实现两个器件。真正的滤波器和放大器，是希望直接将声波放大，将滤波和放大两种功能集成在一个器件里，这种措施可以进一步提高集成度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种集成式射频信号滤波和放大器件，其目的在于解决现有的滤波和放大器件采用将滤波器和放大器集成在一个衬底上导致体积大的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种集成式射频信号滤波和放大器件，包括：
压电衬底及依次排列于压电衬底上的输入换能器、半导体薄膜和输出换能器；
输入换能器，用于接收射频信号，并将射频信号转化为声表面波；
半导体薄膜，用于在施加电压的情况对声表面波进行放大处理；
输出换能器，用于将放大后的声表面波转化为射频信号。
优选地，半导体薄膜材料为碳材料、无机薄膜或有机薄膜。
优选地，输入换能器和输出换能器均为叉指换能器。
优选地，叉指换能器中叉指电极的高宽比、周期和孔径根滤波和放大器要求的导纳值和散射值确定。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的滤波和放大器件，半导体薄膜设置于输入换能器和输出换能器之间，且半导体薄膜、输入换能器和输出换能器均置于压电衬底上，输入换能器将位于特定波段的射频信号转化为声表面波，声表面波与施加有电场的半导体薄膜作用实现放大，放大后的声表面波经过输出换能器转化为射频信号，进而实现对射频信号的滤波和放大，该滤波和放大器件具有集成度高的优点。
附图说明
图1是本发明提供的集成式射频信号的滤波和放大器件的平面示意图；
图2是观察到的本发明提供的集成式射频信号的滤波和放大器件的声电效应传输系数图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的目的在于针对现有技术的不足，利用声电效应原理，提出一种滤波和放大器件，使器件同时具有滤波和放大两种功能，提高器件的集成度，减小通讯系统体积。
如图1所示，本发明提供的一种集成式射频信号的滤波和放大器件，包括压电衬底5、输入叉指换能器1、输出叉指换能器2及半导体薄膜3，其中，输入叉指换能器1和输出叉指换能器2之间存在延迟区域，半导体薄膜3位于延迟区域上，在半导体薄膜3两端设置有电极4，供加压用，加压范围为0.1V-40V。输入叉指换能器与输出叉指换能器设计成延迟线结构，该滤波和放大器件工作时，射频信号通过输入叉指换能器转化为声表面波，在中间延迟区域上传播，经过与半导体薄膜作用，实现对声表面波放大，放大后声表面波经过输出叉指换能器转化为射频信号输出。
现有的AlGaN/GaN结构是利用在异质节交界面的具有一定浓度和迁移率的二维电子气(2DEG)，并通过外加电压的方式达到对声波的放大。而我们提出的利用薄膜单层结构实现的器件中，以外加电场的方式来实现对声表面波放大。实现声波放大条件一般来说是有一个，那就是与声波进行作用的载流子的迁移速度必须大于声波的速度，通过给薄膜施加电场，使得半导体薄膜中载流子加速，实现声表面波信号的放大。
经过放大的信号再进入输出叉指换能器转化为射频信号。这个过程中，通过在薄膜区域两端的电极施加直流电压来达到对传播在延迟区域的声表面波的放大作用。同时，由于两个换能器都只对一定频率范围的信号有较大响应(由其周期、叉指交叠长度等形状因素确定)，因此叉指换能器在声电转换的过程中对射频信号起到滤波作用。
输入叉指换能器与输出叉指换能器中叉指电极材料相同，可以是铝、铜、金等金属材料，叉指电极可以设计成具有特殊高宽比的单指型结构。叉指电极的高宽比、周期和孔径不同，会影响声表面波的反射率和透射率，从而对整个器件的导纳特性和散射特性都会产生影响。
在声表面波的形成方面，某些特殊高宽比的叉指电极也可能影响声波的产生效率，但可能对机电耦合系数存在影响。
叉指电极的周期和孔径也可以得到优化以增大反射回波的幅度变化量。叉指电极还可以设计成分裂指结构或者单相单向换能器结构，或者任意加权结构，依据需要而定。
基底材料可以是石英、铌酸锂、钽酸锂、硅酸镓镧等压电材料的常用切型，也可以是Si/SiO2/压电材料的层状结构。
半导体薄膜材料可以是石墨烯、碳纳米管等碳材料组成的薄膜，或者是氧化锌、二氧化锡等对气体敏感的无机薄膜，也可以是聚乙二醇、聚氨酯等有机薄膜。其电导率必须在一定范围内，以对声波起到合适的放大作用。
基于声表面波的传输特点，声表面波在两个叉指之间传输期间会与薄膜高效率地耦合，这种装置提供了一种简单的检验声表面波器件声电效应的方法，为后续制备集成式声表面波滤波器和放大器奠定了实验基础。可以方便的用于信号处理等领域。
下面对本发明提供的滤波和放大器件进行声电效应进行检测：本发明提供的滤波和放大器件包括输入叉指换能器、输出叉指换能器、半导体薄膜、电极和衬底。输入叉指换能器、输出叉指换能器、半导体薄膜和电极设置在该衬底结构上，输入叉指换能器的电极端直接与网络分析仪一端相连，输出叉指换能器的电极端直接与网络分析仪另一端相连。
本发明提供的实施例中，衬底采用氮化铝薄膜，输入叉指换能器与输出叉指换能器采用延迟线结构，电极为铝电极，电极高度和电极宽度之比在0.3-0.15之间，半导体薄膜采用SnO2纳米晶薄膜，其载流子浓度可以通过掺杂Sb来改变SnO2纳米晶薄膜中载流子浓度。施加直流电压为40V。
首先通过电极施加直流电压，网络分析仪发送的射频信号传送至与输入叉指换能器，输入叉指换能器将射频信号转化为声表面波，声表面波在衬底上传播，与半导体薄膜相互作用，被半导体薄膜中具有一定速度的载流子驱动放大。到达输出叉指换能器时再次转化为射频信号经过网络分析仪接收，显示出该结构的传输系数。如果传输系数大于零，则说明该结构具有放大作用。
图2是观察到的本发明提供的集成式射频信号的滤波和放大器件的声电效应传输系数图，从图中可以得出该滤波和放大器件能够实现对频率在850MHz左右的射频信号进行放大。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种集成式射频信号滤波和放大器件，其特征在于，包括：压电衬底及依次排列于压电衬底上的输入换能器、半导体薄膜和输出换能器；
输入换能器，用于接收射频信号，并将射频信号转化为声表面波；
半导体薄膜，用于在施加电压的情况对声表面波进行放大处理；
输出换能器，用于将放大后的声表面波转化为射频信号。
2.如权利要求1所述的集成式射频信号滤波和放大器件，其特征在于，半导体薄膜材料为碳材料、无机薄膜或有机薄膜。
3.如权利要求1或2所述的集成式射频信号滤波和放大器件，其特征在于，输入换能器和输出换能器均为叉指换能器。
4.如权利要求3所述的集成式射频信号滤波和放大器件，其特征在于，叉指换能器中叉指电极的高宽比、周期和孔径根滤波和放大器要求的导纳值和散射值确定。
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|---|---|
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